银/硅纳米孔柱阵列的SERS活性基底制备与生物分子探测

摘要

表面增强拉曼散射(SERS)光谱能够提供分子的“指纹”特征，具有较高的灵敏度，能够在单分子水平上实现检测。SERS技术是进行探测和分析吸附分子信息的强有力工具，在分子结构确定、生命科学、医药检测及辅助病理诊断等领域都有重要的应用。在SERS研究中，被探测分子通常吸附在粗糙化的贵金属表面或金属纳米颗粒表面，同时，金属的种类、表面形貌及特征尺寸会直接影响到SERS基底的活性和探测的灵敏度。因此，选择合适的SERS基底就显得尤为重要。同时，对生物分子的高灵敏度探测在医学和生命科学等领域有其重要的现实意义。本课题组采用水热技术制备的硅纳米孔柱阵列(Si-NPA)，不仅具有传统多孔硅的物理特性和纳米多孔结构特征，而且具有独特的表面物化性能，多种金属（如金、银、铜和镍）能够沉积到Si-NPA表面组成复合结构，其中金、银或铜/Si-NPA复合体系显现出一定的SERS探测能力。由于银在可见光区，金和铜在红外区能有较大的增强能力，其中银的增强能力最强，本课题选用Ag/Si-NPA作为SERS基底，对SERS基底制备条件的优化、基底的SERS增强机制、生物标志剂分子及其标记生物分子的探测等方面作了深入研究。主要研究内容如下:
　　1、Ag/Si-NPA的可控浸渍沉积及机理
　　通过浸渍沉积法制备了Ag/Si-NPA基底，研究了Si-NPA的老化时间和浸渍沉积时间时间对Ag/Si-NPA基底的表面形貌、结构及元素的分布的影响。浸渍时间分别为5s、15s、30s和60s时，当采用老化4小时的Si-NPA浸渍沉积银时，在浸渍沉积的最初阶段(5s)，银的沉积没有明显的位置选择性，随后银的在柱间区域增长迅速，形成大的聚集体，在柱顶及硅柱侧面形成颗粒膜;当采用老化48小时的Si-NPA浸渍沉积银时，5s时，银的沉积已具有明显的位置选择性，银在柱间区域形成大的聚集体，而柱顶及侧面区域沉积的银颗粒在扫描电镜图下较难分辨;当采用老化720小时的Si-NPA沉积银时，虽然延长浸渍时间至5min，但仅柱间有点状分布的少量银颗粒;当Si-NPA完全氧化后浸渍沉积，其表面没有银沉积。在银的浸渍沉积过程中应发生如下反应，银的还原同时伴随着硅的氧化，同时发生析氢副反应。通过控制Si-NPA的氧化程度，能够控制银的沉积，包括银颗粒的大小及沉积位置的分布。
　　2、Ag/Si-NPASERS基底的探测活性及优化
　　以Ag/Si-NPA为SERS基底，以在生物标记中有广泛应用的罗丹明6G(R6G)为SERS探测分子，利用拉曼光谱仪进行SERS光谱检测。在Ag/Si-NPA-R6GSERS体系中，电磁增强和化学增强两种增强机制均起作用，其中电磁增强机制中那些尺寸范围在～35-55nm的银颗粒起主导作用。利用优化的Ag/Si-NPA基底对不同浓度(10-7-10-16mol/L)的R6G进行SERS探测，极限浓度为10-16mol/L,并且观察到了隶属于单分子光谱的特有的谱色散和强度起伏现象，实现了对R6G的单分子探测。另外，结合SERS光谱分析了R6G在基底上的吸附方式，并且吸附方式会随着Ag/Si-NPA基底的老化有所改变。Ag/Si-NPASERS基底不仅具有较高的探测灵敏度，而且具有良好的信号探测重现性和时间稳定性。在基底活性减退后785天，仍可通过简单的稀硝酸浸渍处理使之重新“激活”。以结晶紫(CV)为被探测分子讨论了Ag/Si-NPA基底SERS增强中的增强因子在106量级。作为一种优质的SERS活性基底，Ag/Si-NPA基底必将拥有广阔的应用前景。
　　3、基于Ag/Si-NPA基底的多组分生物标志剂SERS探测
　　利用Ag/Si-NPA活性基底，对两种重要的生物标志剂分子R6G和CV共吸附状态下的SERS光谱进行了探测。对溶液采用错级配置溶液(R6G和CV的浓度分别为10-9mol/L和10-7mol/L)后，所测得的SERS谱上可以获得分别对应于R6G和CV的分离良好、峰与峰间相对强度基本匹配、分辨率高的两个SERS特征峰组。混合吸附在保持SERS特征峰组清晰可辨的同时，部分R6G和CV单独探测时出现的拉曼峰相对强度减弱甚至消失，有利于简化现实混合探测过程中对SERS特征峰的指认和判断。最终为实现多生物标志剂分子标记复杂生物体系的SERS精确探测提供了一条可供选择的方向。
　　4、基于Ag/Si-NPA基底的寡核苷酸分子的SERS探测
　　利用Ag/Si-NPA基底通过SERS效应实现对寡核苷酸(OligoDNA)分子(浓度10-4mol/L)的直接探测，但OligoDNA结构复杂性导致光谱的稳定性和重复性较差。利用生物分子标志剂异硫氰酸荧光素(FITC)对OligoDNA的5'端进行标记，采用间接测量的方法，对FITC-OligoDNA进行SERS光谱探测。实验表明，用FITC标记后，通过探测FITC实现对OligoDNA的探测。在10-4-10-7mol/L的浓度范围内，均实现了OligoDNA的探测，SERS光谱具有较高的分辨率，而且1186cm-1处拉曼峰的积分强度与浓度对数之间呈线性变化关系，从而可以实现OligoDNA定量测量，这就为SERS光谱在生物化学和生物医学中的进一步应用奠定了基础。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 概述

1．2 拉曼散射与表面增强拉曼散射

1．2．1 拉曼散射

1．2．2 表面增强拉曼散射(SERS)

1．3 SERS基底和被探测分子

1．3．1 SERS基底

1．3．2 SERS被探测分子

1．4 SERS活性基底的制备

1．5 SERS增强机制

1．6 表面选择定则

1．7 SERS的应用

1．7．1 基于SERS效应的纳米生物传感器

1．7．2 单分子SERS光谱

1．7．3 荧光分子标记生物分子的SERS探测

1．7．4 定量SERS探测

1．8 本课题研究思路及内容

第二章 Ag／Si-NPA的可控浸渍沉积及机理

2．1 Si-NPA的制备及表征

2．1．1 Si-NPA的制备

2．1．2 Si-NPA的表征

2．2 Ag／Si-NPA的制备和表征

2．2．1 Ag／Si-NPA的制备

2．2．2 Ag／Si-NPA的XRD图

2．2．3 Ag／Si-NPA的表面形貌

2．3 Ag／Si-NPA表面形貌的调控

2．4 浸渍沉积前后Si-NPA和Ag／Si-NPA表面元素分布变化情况

2．5 浸渍沉积过程中的开路电压变化

2．6 银在Si-NPA上的浸渍沉积机理

2．7 小结

第三章 Ag／Si-NPA SERS基底的探测活性与优化

3．1 Ag／Si-NPA SERS基底的优化

3．1．1 Ag／Si-NPA的制备

3．1．2 样品的表征

3．1．3 R6G分子在Ag／Si-NPA上的吸附

3．1．4 XRD结果

3．1．5 表面形貌结构表征

3．1．6 不同浸渍时间制备Ag／Si-NPA的R6G SERS光谱

3．1．7 SERS基底的优化制备及增强机理讨论

3．2 Ag／Si-NPA基底对R6G的单分子SERS探测

3．2．1 Ag／Si-NPA基底的表征

3．2．2 R6G的单分子SERS光谱

3．3 不同浓度R6G的SERS光谱

3．4 R6G分子在Ag／Si-NPA基底上的吸附取向

3．4．1 R6G的分子结构

3．4．2 R6G分子的吸附取向

3．4．3 SERS光谱的定量测量

3．5 Ag／Si-NPA基底对CV分子SERS探测

3．6 Ag／Si-NPA基底的测量重复性和时间稳定性

3．7 “失活”后Ag／Si-NPA基底的“激活”

3．8 增强因子的计算

3．7 小结

第四章 基于Ag／Si-NPA基底的多组分生物标志剂分子SERS探测

4．1 实验部分

4．1．1 试剂与仪器

4．1．2 实验过程

4．2 结果与讨论

4．2．1 样品的形貌表征

4．2．2 R6G和CV的化学结构式

4．2．3 R6G和CV单独吸附的SERS光谱

4．2．4 R6G和CV共吸附SERS光谱

4．3 小结

第五章 基于Ag／Si-NPA基底的寡核苷酸分子SERS探测

5．1 直接探测Oligo DNA

5．1．1 Oligo DNA及其在SERS基底上的吸附

5．1．2 Oligo DNA的SERS光谱

5．2 FITC标记Oligo DNA的SERS光谱

5．2．1 FITC-Oligo DNA SERS探测分子的吸附

5．2．2 FITC的SERS光谱

5．2．3 FITC-Oligo DNA的SERS光谱

5．3 小结

第六章 结论与展望

参考文献

致谢

博士期间发表论文情况